发现物质的非凡新阶段：用剑桥的2D奇迹冻结时间

剑桥大学的一个研究小组制作了一种新颖的二维玻色玻璃，在这种物质的一种状态下，所有的粒子都保持固定的位置，从而能够永久保存复杂的图案。

这一发现有望在量子计算方面取得突破，包括提高数据稳定性和减少退相干性。

剑桥大学卡文迪什实验室的物理学家创造了第一个二维版本的玻色玻璃，这是一种挑战统计力学的新物质相。这项研究的细节发表在《自然》杂志上。

了解玻色玻璃的性质

顾名思义，玻色玻璃具有一些玻璃性质，并且在其中所有的粒子都是局域的。这意味着系统中的每个粒子都依附于自身，不与邻近的粒子混合。如果咖啡是局部的，那么当把牛奶搅拌到咖啡里时，黑白条纹的复杂图案将永远保留下来，而不是平均下来。

为了创造这种物质的新阶段，研究小组将几束激光叠加在一起，形成了一种准周期模式，这种模式像传统晶体一样是长程有序的，但不是周期性的，这意味着，就像彭罗斯瓷砖一样，它永远不会重复。当用冷却到纳米开尔文温度（接近绝对零度）的超冷原子填充得到的结构时，原子就形成了玻色玻璃。

量子计算的意义

“定位不仅是统计力学中最难破解的难题之一，它还有助于推进量子计算，”领导这项研究的卡文迪什实验室多体物理学教授乌尔里希·施耐德（Ulrich Schneider）教授说。由于局域系统不会与周围环境混合，存储在局域系统中的量子信息将保存更长时间。

施耐德说：“大型量子系统的一个很大的限制是我们不能在计算机上模拟它们。为了准确地描述这个系统，我们必须考虑它的所有粒子和它们所有可能的构型，这个数字增长得非常快。然而，我们现在有了一个现实生活中的2D例子，我们可以直接研究和观察它的动态和统计数据。”

量子模拟研究

施耐德和他的团队专注于量子模拟和量子多体动力学的研究。他们使用超冷原子来研究多体效应，在没有大型全量子计算机的情况下，这些效应无法进行数值模拟。

通常，这个问题会得到显著的简化，因为系统总是松弛到热状态，在这种状态下，只有系统的温度是重要的，而大多数其他细节都消失了。这就是所谓的遍历，它构成了统计力学的基础，而统计力学是我们理解物质的支柱之一。施耐德解释说：“例如，只要知道倒入的牛奶量，就足以预测搅拌一段时间后咖啡的最终颜色。然而，如果我们想要预测搅拌过程中白色和黑色漩涡的完整结构，重要的是要知道牛奶是在哪里倒进去的，以及如何精确地搅拌。”

有趣的是，玻色玻璃似乎是非遍历的。这意味着它不会“忘记它的细节”，因此建模将需要所有的细节。这使它成为多体定位的主要候选者。

长期愿望和发现

该研究的第一作者Jr Chiun Yu博士说：“找到一种具有许多身体定位的系统或材料是一个长期的愿望。这种材料将提供许多新的可能性，不仅适用于基础研究，也适用于构建量子计算机，因为存储在这种系统中的量子信息应该保持更局部，不会泄露到其环境中 —— 这一过程被称为‘退相干’，困扰着许多当前的量子计算平台。”

观察结果及潜在应用

在实验中，研究人员观察到从玻色玻璃到超流体的惊人急剧相变，类似于冰在温度升高时融化的过程。

“超流体是一种流动时没有任何阻力的流体，”前剑桥大学博士后研究员、现任北京大学助理教授宋波博士说，他参与了这项研究。

“想象粒子在超流体中游动;没有摩擦，流体也不会减慢它们的速度。这种特性被称为超流动性，与超导性密切相关。与另一个量子相一起，莫特绝缘体、新观察到的玻色玻璃和超流体构成了玻色-哈伯德模型的基态，该模型描述了玻色子在相互作用和无序系统中的物理特性。”

玻色玻璃和超流体是物质的不同相，如冰和液态水。然而，就像一杯水中的冰块一样，他们系统中的原子可以在同一实验中形成两种相。实验结果证实了最近的理论预测，揭示了玻色玻璃是如何形成和演变的，所以现在科学家们可以开始考虑它的应用了。

警示性结论

然而，尽管未来有令人兴奋的机会，施耐德认为我们应该谨慎行事。“关于玻色玻璃及其与多体定位的潜在联系，我们还有很多不了解的地方，包括热力学和动力学性质。在我们试图找到它的用途之前，我们应该首先专注于回答更多这些问题，”施耐德总结道。

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